鈣鈦礦太陽能電池（PSC） 憑借其高效率和低成本的優(yōu)勢， 被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的主力軍。 但是， 鈣鈦礦材料本身的穩(wěn)定性和可控性問題， 是限制其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。 近年來， 科學(xué)家們一直致力于開發(fā)更穩(wěn)定高效的鈣鈦礦太陽能電池， 并在材料、 結(jié)構(gòu)、 制備工藝等方面取得了顯著的進(jìn)展。
近期， 香港科技大學(xué)周圓圓教授團(tuán)隊(duì) 在Nature Energy 期刊發(fā)表了重磅研究成果。 他們的研究揭示了鈣鈦礦薄膜單個(gè)晶粒表面的微觀特征， 并提出了一種全新的 “微表面工程" 策略， 以提升鈣鈦礦太陽能電池的性能。
【晶粒表面凹陷： 隱藏的效率和穩(wěn)定性殺手】
鈣鈦礦薄膜是由一個(gè)個(gè)微小的晶粒組成， 而單個(gè)晶粒的表面形狀會(huì)影響薄膜在微觀層面的性質(zhì)。 然而， 人們對晶粒表面的幾何特征鮮有研究。 周圓圓教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜晶粒表面存在的 “晶粒表面凹陷"（GSC）, 并揭示了 GSC 對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。
周圓圓教授 是香港科技大學(xué)化學(xué)系的教授， 她的團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽能電池和有機(jī)光電子材料領(lǐng)域擁有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)， 并在國際重要期刊發(fā)表了大量的科研論文。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn):
鈣鈦礦薄膜晶粒表面的 GSC 主要是由晶粒生長過程中的兩種現(xiàn)象造成的:
n 雙軸拉伸應(yīng)變: 當(dāng)晶粒融合時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生雙軸拉伸應(yīng)變， 導(dǎo)致晶粒表面出現(xiàn)凹陷。
n 晶界溝槽: 隨著晶粒的長大， 晶界也會(huì)逐漸變粗， 在表面形成溝槽， 這些溝槽也可能會(huì)導(dǎo)致晶粒表面出現(xiàn)凹陷。
GSC 對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響非常顯著， 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
n 影響載流子傳輸: GSC 存在于鈣鈦礦/電荷傳輸層（CTL） 的界面， 會(huì)阻礙載流子在界面處的收集， 從而降低電池效率。
n 降低界面穩(wěn)定性: GSC 會(huì)增加界面的化學(xué)和熱機(jī)械應(yīng)力， 進(jìn)而降低鈣鈦礦/CTL 界面的穩(wěn)定性。
【揭秘鈣鈦礦薄膜表面的奧秘-巧妙消除 “晶粒表面凹陷"， 實(shí)現(xiàn)突破性效率和穩(wěn)定性提升】
為了克服 GSC 對鈣鈦礦太陽能電池性能帶來的不利影響， 周圓圓教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了有效的策略， 通過引入 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFSAP)， 有效地抑制了鈣鈦礦晶粒的生長， 從而減少了 GSC 的形成。
該策略的主要優(yōu)勢在于：
減少應(yīng)力和缺陷: TFSAP 可以與鈣鈦礦薄膜的表面發(fā)生反應(yīng)， 減緩晶粒的生長速度， 降低晶界溝槽的形成， 并抑制雙軸拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生， 從而有效地消除 GSC 的形成。
提高穩(wěn)定性和效率: 通過消除 GSC， 可以提升鈣鈦礦/CTL 界面處的電荷提取效率， 減少界面處的非輻射復(fù)合， 提升電池的穩(wěn)定性和效率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該團(tuán)隊(duì)提出的 “微表面工程" 策略的有效性。 他們利用 TFSAP 處理后的鈣鈦礦太陽能電池， 在標(biāo)準(zhǔn)的熱循環(huán)、 潮濕熱、 最大功率點(diǎn)跟蹤測試中， 都展現(xiàn)出了更出色的性能， 驗(yàn)證了 “微表面工程" 對于提高鈣鈦礦太陽能電池的耐久性和性能的重大意義。
周圓圓教授團(tuán)隊(duì)的研究揭示了鈣鈦礦晶粒表面形態(tài)對于太陽能電池性能的重要影響， 也為未來的鈣鈦礦材料和器件設(shè)計(jì)提供了全新的思路。 這項(xiàng)成果進(jìn)一步彰顯了鈣鈦礦太陽能電池作為未來能源技術(shù)重要組成部分的潛力， 為更清潔、 更高效、 更穩(wěn)定的太陽能光伏技術(shù)的開發(fā)提供了重要的參考依據(jù)。
該團(tuán)隊(duì)的研究揭示了鈣鈦礦晶粒表面 “微觀特征" 對于器件性能的重要性， 并提出一種全新的 “微表面工程" 策略， 通過分子調(diào)控手段， 有效地抑制了晶粒表面的凹陷， 最終實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。
參考文獻(xiàn)
Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces_Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x
【本研究參數(shù)圖】
推薦設(shè)備
LQ-100X-PL 光致發(fā)光與發(fā)光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)
文獻(xiàn)參考自Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x
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